风积沙围岩浅埋暗挖隧道施工技术

1、风积沙围岩浅埋暗挖隧道施工技术史宝童1，肖均2（1. 中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075；2. 陕西榆林榆神高速公路有限公司，陕西 榆林 719000）摘要：针对风积沙地层颗粒单一、级配不良、粘聚力低、稳定性差的特点，结合榆神高速神木一号隧道工程，通过对不同施工方案的比较分析，介绍了水平旋喷桩和三台阶临时仰拱法在大跨度风积沙隧道施工中的应用。经施工开挖检验水平旋喷桩完整性好，咬合度高，单轴抗压强度达11 Mpa；三台阶临时仰拱法分部开挖面积小，利于及时支护，施工体系转换灵活，可有效控制围岩变形。关键词：三台阶；临时仰拱；风积沙地层；浅埋暗挖Construction T

2、echnology of Aeolian Sand Tunnel with Shallow Tunnel MethodSHI Bao-tong1, XIAO Jun2(1-CCCC First Highway Consultant Co.,LTD,Xi an,shanxi 710075;2- Shanxi Yulin Yu-Shen expressway Co.,LTD,Yu lin,shanxi 719000)Abstract:Aiming at the single particles, bad gradation, poor cohesion and stability of aeoli

3、an sand formation, based on ShenMu No.1 tunneling engineering project, the application of horizontal rotary jet grouting piles, three bench method and setting temporary invert method in aeolian sand tunnel with large span has been introduced by comparing different construction schemes.The constructi

4、on and excavation has proved that horizontal rotary jet grouting piles is in good condition of integrity and galled extent, meanwhile the uniaxial compression strength reachs up to 11Mpa. Three bench method and setting temporary invert method is beneficial to support timely, and makes it easy to red

5、uce excavation area, switch construction system and control the deformation of surrounding rock effectively.Keyword:Three bench method;Temporary invert;Aeolian sand formation;shallow tunnel construction1 工程概况榆神高速神木一号隧道左线ZK90+870ZK91+360长490m、右线K90+870K91+325长455m，是榆林至神木高速公路的关键控制工程，设计时速80km/h。该隧道位于神木

6、西沙开发区西侧，隧道大致呈东北西南方向展布，横穿沙丘与水磨河大桥相接。项目所在区地处黄土高原向草原荒漠的过渡地带，以长城为界，西北部属以风蚀为主的风砂草滩地形地貌，东南部为黄土沟壑区地貌。总体地势西北高东南低，海拔在7381448m之间。地表主要为固定沙丘、半固定沙丘和平缓沙丘，下部出露砂岩、页岩和泥岩、夹煤层等。2 工程及水文地质根据地面调查、钻探、物探勘察成果显示，隧址区上覆第四系全新统风积沙（Q4eol）及上更新统风积黄土（Q3eol），下伏三叠纪瓦窑堡永平组细砂岩，产状近水平，倾角小于5°。各地层根据岩性特点、成因时代及风化程度自上而下依次为：风积沙层：棕黄色，松散稍湿，主要

7、由长石、石英质细砂组成，次为粉砂和粉粒土；黄土层：浅黄色，稍湿，可塑，主要由粉粒土组成，次为粉砂，具针孔状孔隙，垂直节理较发育；全风化强风化细砂岩：灰绿黄色，细粒结构，中厚层状构造，泥钙质胶结。在勘探深度范围内，未见到地下水。受地形条件限制神木一号隧道埋深较浅，洞顶覆盖层大部分为风积粉细沙地层，其粒度成分以细砂(0.0750.25mm)为主，极细砂(0.010.075mm)次之，中砂(0.250.25)较少，大于0.5mm者含量极少，不均匀系数Cu=3.5，沙层重度17.165 kN/m3，变形模量21MPa，泊松比0.4，内摩擦角27°，粘聚力极低，仅11KPa，综合风积沙地层工程

8、地质特征，颗粒单一，凝聚力小，级配不良，压缩性小，稳定性差，开挖易坍塌，施工难度很大。图1. ZK90+930地质横断面图（m）Fig.1 Geologic cross section of ZK90+930（m）3 施工技术难点（1）神木一号隧道与既有线神锦大街（42m宽）近垂直相交。神锦大街起于神木县西沙开发区西沙二路，止于锦界东黄土庙村与榆神二级公路相接，与隧道分别在K91+162.5和ZK91+163.5相交，该处隧道埋深均约27m，地处风积沙地层，采用浅埋暗挖法施工可能对既有线造成不利影响，施工中应严格控制初期支护拱顶下沉变形，密切监视地表沉降，确保车辆通行安全。（2）风积沙围岩具有

9、颗粒单一，凝聚力小，抗剪强度相对较低的工程地质特征1，自稳能力差，开挖极易坍塌，而神木一号隧道内轮廓净宽12.44m，净高8.89m，开挖面积达90.14m2，与同类两车道隧道相比开挖面积增大了13%，这就更增加了施工的难度，洞室开挖时必须采取强支护措施来保证施工安全。（3）浅埋暗挖隧道施工工序多，相应初期支护结构接头截面也较多，因此必须处理好初期支护形成过程中受力体系转换所带来的不利影响，保证钢拱架焊接质量和初支结构的稳定性，防止地表沉降过大，影响既有线通车安全。4 风积沙地层围岩压力分析自上个世纪50年代以来，新奥法在山岭隧道及地下工程领域中得到了广泛应用2。它利用喷射混凝土、锚杆、钢筋网

10、等柔性支护手段，根据围岩监测结果适时支护，充分发挥围岩自身的承载能力为目的，是一种把设计、施工和监测相结合的科学的隧道建造方法。新奥法的核心就是根据围岩的性质允许围岩有一定的变形，以减少作用在支护结构上的围岩压力，提高工作效率和经济效益3。而风积沙地层与一般岩石地层不同，其围岩自稳时间极短，开挖后若不支护会立即坍塌，根据地层特征曲线支护阻力与围岩位移的关系，若围岩自稳时间比支护施工时间短，支护结构要承受较大松散围岩压力，在这种地层中适时的支护时间已没有意义，必须采用合理的预加固措施，提前加固风积沙层，增强围岩稳定性，且开挖后立即支护，才能保证施工安全。5 施工方案对比隧道施工中，开挖方法是影响

11、围岩稳定的重要因素之一、因此，在选择开挖方法时，应对隧道断面大小及形状、围岩的工程地质水文地质条件、支护条件、工期要求、机械配备能力、经济造价等相关因素进行综合分析，采用适宜的开挖方法。目前我国浅埋暗挖隧道施工多采用台阶预留核心土法、双侧壁导坑法，城市轨道交通中多采用CRD法等。（1）双侧壁导坑法4、CRD法5 双侧壁导坑法（见图2）、CRD法（见图3）在控制地表沉降方面有显著效果，但施工工序复杂，限制了大型机械的使用，工作效率低，工艺转换难度大，施工进度缓慢，造价高，大量的拆除工作限制了二衬的跟进时间，风积沙围岩自稳能力差，松散围岩压力较一般隧道大的多，二衬是主要承载体，其跟进的快慢是保证施

12、工成败的关键因素。（2）台阶留核心土法该方法（见图4）是前期神木一号隧道施工中采用的方法，但根据现场施工情况来看，当挖到第二台阶时，即洞身最大跨度处因初期支护不能封闭成环，拱顶沉降较大，钢拱架变形严重，初喷混凝土出现多条裂缝，随着第三、第四台阶的开挖，临空面的增大，局部拱脚变形侵占了隧道净空，不得不进行换拱处理。图2. 双侧壁导坑法 图3. CRD法 图4. 四台阶留核心土法 Fig.2 Both side drift method Fig.3 Center cross diagram method Fig.4 Four bench method reserved core soil （3）三

13、台阶临时仰拱法为克服上述不足，控制拱顶变形，保证初期支护的稳定性，施工改采用三台阶临时仰拱法，将整个洞身断面分为三个台阶，在第二台阶设临时仰拱，封闭初期支护，并根据监控量测资料，适当增加临时竖撑控制初期支护拱顶下沉，成功穿越了风积沙段，保证了工程质量，取得了良好的技术经济效益。6 施工工艺要点6.1 水平旋喷桩超前预支护风积沙围岩，粘聚力低，自稳时间极短，天然状态下根本无法开挖，必须采用超前预支护体系深层加固沙层，为后续工作的安全施工提供足够的空间和时间。经现场实践对比，超前小导管和超前大管棚固沙效果较差，施工开挖露沙现象严重，而水平旋喷桩以其独特的加固搅拌方式取得了良好的固沙效果。水平旋喷桩

14、预支护是在洞内开挖面的前方，沿开挖轮廓利用水平旋喷机按间距距35cm、长30m钻孔，钻至设计深度后，采用高压泵输送高压浆液，钻头边旋转边后退，浆液从钻头处的喷嘴中高速射出，射流切割下的沙体与浆液在射流的搅拌作用下混合，最后凝固成直径大于50cm旋喷柱体。环向相邻柱体之间相互咬合15cm，在开挖面上方形成整体性较好的旋喷拱，具有较好的抗压抗弯性能，固结体周围沙层的物理力学性能也有显著改善6。开挖后预支护拱就会立即发挥作用，抑制围岩变形，承担沙层压力，保证洞室稳定，防止漏沙、坍塌。水平旋喷桩的施工工序主要分为四个步骤：平整工作平台，钻孔定位，场地要求平整硬化，设备安装好后，按设计图纸要求调整钻机角

15、度、方位，对准孔位；浆液护壁，一次成孔，每钻进4m要使用水平导向仪测量一次，一旦发现偏斜要及时进行纠偏，直到钻至设计深度；高压旋喷，加固沙体，按照“先两侧，后底部”顺序进行旋喷施工，周边每次间隔1个孔位从下到上，左、右交替(双排或者多排)进行；喷浆至孔口掌子面0.50m时，应停止旋喷，缷下孔口管最外端的密封装置，关闭循环液排出口，快速拔出钻杆和钻头。6.2 三台阶临时仰拱法施工神木一号隧道风积沙段围岩采用三台阶临时仰拱法开挖，具体施工顺序见图5。 图5. 三台阶临时仰拱法施工方案示意图（cm）Fig.5 Construction scheme of three bench and settin

16、g temporary invert（cm）(1) 上台阶施工。上台阶需在超前支护体系达到设计强度后施工，开挖高度2.5m，人工配合小型机械施工。施工进尺50cm，每开挖一个循环，立即素喷5cm厚C25早强混凝土，封闭开挖面，安装I22a工字钢拱架，并采用32锁脚钢管锁紧钢拱架，每侧拱脚设2根，长度不小于3.0m。每两榀钢拱架间采用22纵向连接钢筋连成整体，环向间距1.0m，后挂8钢筋网片，网眼间距15cm，预留1个网眼尺寸与下一循环焊接。上台阶施工两侧始终错开，保证同一断面钢拱架在拱脚处暴露的开挖面仅限于一侧。开挖进尺应穿过掌子面潜在滑移面，控制在510m之间。(2) 中台阶施工。上台阶开挖

17、到设计深度后停止施工，喷混凝土封闭掌子面或采用沙袋堆砌。中台阶施工先开挖两侧土体，预留中间核心土高2.8m，宽4.5m，两侧始终错开，保证同一断面钢拱架交错落底。边墙每次进尺50cm，开挖后及时铺设钢筋网并采用素喷混凝土封闭开挖面，后迅速施做钢架、注浆导管等初期支护。需特别注意上中台阶接茬处，应采用连接钢板和高强螺栓连接，必要时进行三面骑缝焊接。根据现场监测资料显示，在中台阶开挖过程中，初期支护拱顶沉降量会迅速增大，这主要是因为边墙开挖时上台阶拱脚会出现临时悬空现象，为此，在上下级台阶的接头部位，每两环钢拱架之间增加25a槽钢，作为纵向托梁（见图6），以增加型钢拱架的受力面积，增强其受力的整体

18、性。中台阶开挖跨度大是承上启下的关键步骤，待核心土留置35m长时逐步清除，增设I18临时仰拱，纵向间距50cm，两端与主洞钢拱架焊接牢靠，并应根据监控量测结果及时增设竖撑，控制拱顶变形。图6. 槽钢纵向托梁连接示意图Fig.6 Connection of channel steel as lengthwise joist (3) 下台阶施工在中台阶进尺5m长度后，停止开挖，喷混凝土封闭掌子面，开挖下台阶土体。下台阶采用掏槽法施工，在满足操作空间的前提下，边墙开挖宽度尽可能窄，以0.81.0m为宜，预留核心土。钢拱架落底时，应增设槽钢或混凝土垫块，必要时加固底部沙土，提高地基承载力，防止拱架整体

19、下沉。(4) 仰拱施工侧墙初期支护施工完成后，要及时左右错位跳挖仰拱，每次循环进尺100cm，施工2榀钢拱架，底部拱架与边墙拱架接头部位采用高强螺栓连接。一般仰拱中部拱架对接时易出现误差，可在加工时较设计尺寸多留30cm，在满足隧道边墙部位净宽、仰拱厚度及隧底开挖标高的前提下，根据实际需要用氧焊切割机切除多余部分，再对接焊牢。拱架安装好后应及时喷射混凝土封闭覆盖，使初期支护尽早闭合成环，形成稳定的受力体系。 (5) 二衬施工风积沙地层结构松散围岩压力较大，初期支护不足以承担全部地层压力，必须尽早施做二次衬砌，防止初期支护因较大变形而开裂剥落。一般情况下二衬模筑长度810m，是施工中根据初支收敛

20、变形情况，一次拆除临时仰拱长度控制在56m，模筑二衬5m左右，虽人为增加了施工缝道数，但极大的缩短了二衬跟进的时间，有效抑制了围岩变形。6.3 施工效果分析本工程自2009年3月份开始以水平旋喷桩为超期预支护结构，隧道主体采用三台阶临时仰拱法施工，并根据洞室拱顶和拱脚变形收敛情况适时增设临时竖撑，仅6个月时间左线隧道已经贯通，右线隧道也即将贯通。施工中为了解围岩变形特征，确定二衬跟进时间，沿隧道纵向按510m间距布置了洞周收敛量测断面，图7、图8为K91+240量测断面拱顶下沉和净空收敛时间曲线，从图中可以看出该断面在开挖后第28天围岩变形趋于稳定，拱顶最终沉降值10.1cm，净空收敛值3.1

21、cm，说明三台阶临时仰拱法配合水平旋喷桩超前预支护在加固沙体、抑制围岩变形方面发挥了较好效果。 图7.K91+240拱顶下沉时间曲线 图8.K91+240净空收敛时间曲线Fig.7 The time curve of arch crown   Fig.8 The time curve of clearance settlement in K91+240  convergence in K91+2407 总结风积沙围岩

22、自稳能力差，易受施工扰动，洞室收敛变形速度快，若支护不及时极易塌方。在这种地层中施工，有效的超前支护措施是决定隧道能否开挖的前提，及时的初期支护是施工安全的有力保证，二次衬砌的施做时间是控制围岩变形的关键因素。施工中应坚持“快挖、快支、快封闭”的原则，步步为营，随挖随支，二衬紧跟，施工结构体系转换紧凑，衔接紧密，才能及时控制围岩变形，保障洞室稳定。参考文献References1任仓钰.风积砂工程地质特征J.岩土工程技术.2002(3):156157REN Cang-yu.The Engineering Geological Feature of Sand in Desert RegionJ.Geotechnical Engineering Technique,2002(3):1561572于书翰,杜谟远.隧道施工M .北京:人民交通出版社,1999:13YU Shu-han,DU Mo-yuan. Tunnel ConstructionM.Beijing:China Communications Press,1999:133徐世东.新奥法在宛坪高速公路双联拱隧道中的应用J.施工技术,2008, 37:258-259XU Shi-dong.New Austrian Application of Double-arch Tunne